合肥研究院等发现金属纳米粒子的同分异构现象

2015-12-01 14:12:20 作者：本网整理来源：

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员伍志鲲课题组与国内外多个研究小组合作，发现了金属纳米粒子的同分异构现象，相关研究结果以Structural isomerism in gold nanoparticles revealed by X-ray crystallography 为题发表在《自然·通讯》上(Nature Commun., 2015, 6, 9667)。

图1金属纳米粒子中的同分异构体Au38T（图中左侧分子）与Au38Q（图中右侧分子）的示意图

　　大自然的奥妙之一在于它创造一些物种，具有相同的组成，却具有不同的结构(包括结构异构、手性异构等)，这些异构体为人们理解结构与功能的关系提供了极好的材料。同分异构现象在有机化合物中很常见。对于纳米粒子而言，是否存在异构现象，这是非常有趣的问题。但由于纳米粒子(甚至其它纳米材料)原子排列表征比较困难，阻碍了人们对纳米粒子异构现象的进一步认识。早在2004年，中科院金属研究所卢柯就发现了孪晶(Science, 2004)，这暗示了纳米材料中可能存在这些异构现象，诺贝尔奖获得者Roger D. Kornberg教授2007年第一次用单晶X-射线衍射揭示了超小纳米粒子Au102中的手性异构现象(Science，2007)。国家纳米中心的唐智勇课题组也发现了纳晶中的手性异构现象(J. Am. Chem. Soc.，2010)。而Gruene等人预言气相团簇中存在异构现象(Science，2008)，另外，多个小组也从理论上预言了超小纳米粒子(纳米团簇)中同分异构现象的存在。然而，到目前为止，还没有人从实验上获得纳米粒子中的同分异构体。

　　最近，伍志鲲课题组通过精细调控反应条件，成功获得了一种常温较稳定的新纳米团簇(简称为Au38T)，与2010年卡内基梅隆大学教授Rongchao Jin课题组报道的Au38(SC2H4Ph)24(简称为Au38Q， J. Am. Chem. Soc.，2010。注： T和Q分别为两个工作的第一作者姓的首写字母)有着完全相同的组成，但是经过单晶X-射线分析，这两种金纳米团簇具有完全不同的原子排列方式，从而从实验上首次证实了纳米粒子中同分异构现象的存在。(图1)。

　　尽管这两种Au38金属纳米粒子组成完全一样，但是其同分异构体具有明显不同的催化活性：Au38T能够在低温(0℃)催化对硝基苯酚的还原，30分钟内可获得44%的产物，并且可循环使用15次以上;而Au38Q在同样的条件下，却不能催化该反应(图2)。此外，这两种Au38异构体之间能发生转化：在50℃条件下，Au38T会不可逆地慢慢转化成Au38Q(图2)。有关研究还在进一步探索中。

　　国内外合作小组提供了质谱、X-射线单晶衍射等重要实验数据和结构方面的重要理论支持。硕士生田书博是本文的第一作者;催化方面的工作由助理研究员李漫波完成。该工作得到国家基金委、科技部、中国科学院(国际创新团队，百人计划)以及合肥物质科学技术中心等项目的支持。

图2Au38T与Au38Q之间不可逆的转化及其催化性能差异